有机-无机杂化阻燃剂阻燃聚乳酸材料研究(2)
3.1 有机-无机纳米杂化阻燃剂的结构表征 9
3.1.1 BPA-ATH的FT-IR光谱分析 9
3.1.2 BPA-ATH的X射线衍射分析 10
3.1.3 BPA-ATH的透射电镜分析 11
3.1.4 BPA-ATH的极性分析 12
3.1.5 BPA-ATH的TGA分析 13
3.2 聚乳酸复合阻燃材料的性能研究 14
3.2.1 热稳定性分析 14
3.2.2 力学性能分析 16
3.2.3 阻燃性能分析 18
3.2.4 炭层结构分析 20
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
1.1 有机无机杂化阻燃剂简介
阻燃剂可分为卤系、氮系、有机磷系、有机硅系、无机阻燃剂以及协效阻燃剂等。无机阻燃剂以氢氧化铝和氢氧化镁发展最为成熟，其阻燃效率高，对环境污染造成的影响较低，但添加量过大时会影响基体材料的流动性和机械性能；而有机阻燃剂虽然与高分子材料的相容性较好但是燃烧产生物质对环境的污染大。不管是无机型还是有机型阻燃剂，都有各自的局限性。随着科学技术的发展，传统的阻燃剂是无法满足工业的要求，所以有机无机杂化阻燃剂开始成为研究的一大热点。
1.1.1 烷基次磷酸盐
近年，烷基次磷酸盐受到广泛关注，其是一种环保的磷系阻燃剂，热稳定性能优异。分子式为（R1R2POO)n-Mn+，其结构式为：
其中的R1和R2代表了C1~C6的烷基（甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、叔丁基、正戊基）或芳基（苯基），M为金属（锌、钙、铝等）[1]。目前研究较为普遍的是二乙基次磷酸铝（ADP）、二丙基次磷酸铝（ADPP）、苯基次磷酸铝（BPA-Al）以及异丁基次磷酸铝（APBu）等。
烷基次磷酸盐的阻燃机理跟自身化学结构相关。其含有大量的磷元素，所以可同时在凝聚相和气相中都起到阻燃作用。该类阻燃剂一部分脱掉烷基分解，在气相中产生PO•自由基，将火焰中的活泼自由基HO•和H•捕获，减缓燃烧进程[2]。另一部分在氧气和高温条件下分解生成的磷酸的非燃烧性液态膜，能覆盖住材料表面有效隔绝空气；磷酸又会脱水生成偏磷酸，从而聚合生成聚偏磷酸，这是一种强酸具有很强的脱水作用能够催化成碳，而磷大部分留在了焦炭层中，阻断分解作用[3]。另一方面金属离子（如铝、锌、铁）能够发挥一定的抑烟作用，减少环境污染。
1.1.2 表面改性ATH后的杂化阻燃剂
应用较为广泛的含铝元素的无机阻燃剂包括氢氧化铝（ATH）和次磷酸铝（AHP）等。次磷酸铝含磷量高，易产生磷化物影响环境。但氢氧化铝属于环保型无机化合物，在燃烧中会因受热分解产生H2O和Al2O3，可以在降低体系温度的同时阻隔热量的传递, 阻燃效果较好。而且其资源充沛、价格低廉、品种较多[4-5]。虽然ATH阻燃剂优点较多，但其与高分子材料的不相容性和添加量大, 影响了材料的加工性能以及力学性能，所以必须进行表面改性，一般使用表面活性剂和偶联剂。现已有研究的阻燃剂有DOPA-ATH杂化阻燃剂[6]以及DOPO-ATH阻燃剂[7],其阻燃效果良好。
1.1.3 有机无机杂化含硅阻燃剂
有机无机杂化含硅阻燃剂包括乙烯基/烷基硅树脂和含氮-磷-硅杂化阻燃剂两大类，两者各有其优点。
烷基硅树脂包括乙烯基硅树脂（VSR）、苯基硅树脂（PPSQ）、正丙基硅树脂等。它们与乙烯基硅树脂一样，都是以无机结构 Si—O—Si为主链，以有机基团为侧链的有机无机杂化高分子[8]。扫描电镜图片显示苯基硅树脂和乙烯基硅树脂都呈规则的球形，表面光滑，且粒径分布均一，一般在150~200nm，均达到了微米级，但不同的是前者尺寸分布较宽后者较紧密[9-10]。其作为阻燃剂，耐热性能优异，内外层的空间网络结构在燃烧时阻止了热量的扩散，同时外层燃烧形成的残炭物降低了热失重速率。且相对于无机阻燃剂来说，它因具有有机基团，疏水性更佳，能在聚合物中更好地分散，在一定程度上改善材料的力学性能。
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